基于心率变异性的草原公路驾驶疲劳恢复调节方式

朱守林， 严杰， 李航天， 解松芳

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院， 呼和浩特 010018)

公路交通是一个由人、车、路和环境所组成的复杂的人机环境系统，其中，人是构成该系统的核心要素。据国家统计数据库显示，2019年全国汽车交通事故量高达近16万起，造成的经济损失更是高达11亿人民币[1]。相关统计发现，由驾驶疲劳原因引发的交通事故量约占40%[2]。为降低因驾驶疲劳引起的交通事故量，在加强监管和安全教育、优化人机交互界面等基础上，采用科学的调节方式更能有效地见降低驾驶疲劳对行车安全的影响。疲劳恢复是指驾驶员的机能和能源物质经过调整后，由行车后的暂时下降状态回到或超过行车前的状态[3]。其主要表现为外表征兆、思维、判断能力、驾驶操作灵活性和肌肉疲劳的改善。与其他类型的道路相比，草原地区连接城镇之间的道路大多距离较长，且路边景观环境简单[4]。因此，驾驶员在草原公路上行车更易疲劳，尤其是精神疲劳，长时间处于疲劳状态会导致疲劳累积，轻则影响身心健康，重则危害行车安全。为保障该地区驾驶员的出行效率，同时降低因疲劳驾驶引起的交通事故造成的经济损失，科学调节方式的探索显得尤其重要。

心率变异性(heart rate variability，HRV)代表心跳RR间期心电信号波形中相邻两个R波之间的时间间隔时间值的涨落，能有效评估负荷中心脏交感神经与迷走神经的张力和平衡性[5]。研究表明，根据HRV能够有效评价驾驶员的整体心理负荷与疲劳状态[6]。尚宇等[7]利用BP(back propagation)神经网络算法对心理压力相关的HRV特征值分析后提出了一种改进的粒子群优化算法，该算法能有效识别人的心理压力状态。唐兴亮[8]通过不同疲劳状态下心电的标准差、低高频均衡比、近似熵等参数以及肌电的相关参数，构建了运动疲劳识别模型的生物电特征。目前，国内外的相关研究主要关注于运动性疲劳和恢复，驾驶疲劳恢复的研究还没有引起足够重视。Wang等[9]发现穴位电刺激比自然恢复和非穴位电刺激具有更好的恢复效果。毕学翠等[10]通过对比高强间歇运动后软体高压氧舱恢复和传统恢复各项心生理指标的变化，分析软体高压氧舱恢复效果。王玉化等[11]发现休息时驾驶员的心电指标随着恢复时间的延长呈现为线性相关。

综上所述，国内外学者虽在心率变异性、疲劳程度和驾驶疲劳恢复等方面有所研究，但未考虑到疲劳恢复过程中不同调节方式对驾驶员情绪状态和心理水平的影响，且忽略了调节方式的普遍适用性。鉴于此，科学的设定了长时程驾驶，并记录停车后不同调节方式下驾驶员HRV指标变化，探索不同调节方式对驾驶员疲劳恢复程度的影响。为合理安排驾驶休息时间、保障行车安全、降低交通事故经济损失和提高草原地区驾驶员的出行效率提供了理论指导，为该地区交通运输安全相关法律法规的完善拓宽了思路。

1 实验方案设计

1.1 模拟驾驶和试验路段

为排除其他因素对试验的干扰，有效地控制实验条件，使得实验数据具有可比性，本次试验采用室内模拟驾驶。控制系统、车辆系统和显示系统组成了驾驶模拟器。其中，控制系统主要由2台计算机和8台显示器组成，实现信息交互协同；车辆系统是由比亚迪F3真实车辆改造而成，可实现模拟上下坡和颠簸路况；显示系统投影装置和屏幕组成，可为驾驶员提供虚拟3D道路交通场景。

通过对内蒙古自治区东、中、西部地区中的一级、二级和三级草原道路的设计文献查阅和实际调查，最终草原公路场景的制作选择依据锡林浩特市境内的省S101赛罕塔拉—满都拉图段，该公路等级为二级，设计车速为80 km/h。本实验依据该路段的道路设计参数和对路侧及路域景观的实地拍摄来进行公路场景的制作，力求接近真实道路环境。

1.2 研究对象

相关研究表明[12]，疲劳驾驶交通事故调查中男性驾驶员事故率高达98.06%；抽样调查中的计算样本量公式为

N≥(Zσ/E)2

(1)

式(1)中：N为样本量；Z为标准正态分布统计量；σ为标准偏差；E为最大容许误差。当置信度为90%时，Z=1.25，考虑试验人数的限制，取σ=0.35，E=10%；计算所需最小样本量为19。

综上考虑，招募了20名拥有法定驾照、年龄在24～50岁、驾龄在3年以上的男性驾驶员。所有驾驶员试验前需签订描述试验要求的知情同意书，并且进行30 min以上的模拟驾驶适应性训练，确认无不良反应。同时确定驾驶员实验前没有饮酒、喝咖啡及功能饮料，没有服用对心脏、精神有刺激的药物，无剧烈运动。

1.3 休息时间和方式的选择

通过对内蒙古锡林浩特市境内的省道S101公路上的100名机动车驾驶员的休息时间、调节方式等信息进行了问卷调查，发现驾驶员经过长时程行车后选择的休息时间主要集中在30 min之内，休息方式主要是车外自由活动和车内音乐调节休息。其中，关于音乐的种类，最终选取问卷上最受欢迎的6首舒缓、流行音乐作为实验音乐。

1.4 实验过程

《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》中的第六十二条明确规定[13]，司机连续驾驶机动车的时间不得超过4 h。结合草原地区长距离出行的特点，本次实验研究驾驶员连续行车4 h后疲劳恢复过程中的HRV变化。将20位驾驶员随机均分为两组，所有驾驶员模拟驾驶前均需填写主观调查问卷；上车后调节座椅，静坐5 min；之后进行4 h的模拟驾驶试验，车速要求控制在80 km/h左右。驾驶结束后，连接设备，休息时间为30 min，第一组驾驶员安排以车外自由活动方式休息，休息期间尽能放松，同时进行HRV数据采集；第二组驾驶员安排以车内听音乐的方式休息，休息期间可调整座椅，尽可能放松，同时进行数据采集。试验结束后要求驾驶员再次填写主观问卷调查。

2 结果分析

2.1 基于配对样本T检验和主成分分析的疲劳恢复敏感指标选取

配对样本T检验，可用于检验被试组在不同条件下是否存在显著差异。该方法不仅可以检验出音乐调节休息和车外自由活动调节方式对驾驶疲劳恢复是否存在显著性差异，而且可以对疲劳敏感的HRV指标进行筛选。主成分分析方法可从实测的原始变量导出少数主成分，不仅使它们尽可能保留原始变量信息，并且彼此互不相关。因此可以通过主成分分析方法实现降维的目的。利用SPSS20统计分析软件对HRV指标群进行配对样本T检验，结果如表1和表2所示。

通过SPSS20软件分析，分别对两种调节方式下的HRV各指标进行正态性检验，由于样本量较小，选择S-W结果为准，由表1可知，除RR间期的标准差(SDNN)和相邻RR间期差值的均方根(RMSSD)外其他各指标的Sig.(双侧)>0.05，因此，音乐调节休息与车外自由活动调节方式下的相邻RR间期的均值(MEAN)、相邻RR间期差值大于50 ms的个数与总RR间期个数之比(PNN50)、低频(LF)、高频(HF)、低频高频均衡比(LF/HF)、近似熵(ApEn)、样本熵(SampEn)和关联维度(D2)指标均符合正态分布，可以进行配对样本T检验。通过对上述8个指标进行配对样本T检验，由表2可知，MEAN、HF、LF/HF、ApEn和SampEn指标的Sig.(双侧)<0.05，即存在显著性差异，即在车外自由活动和音乐调节休息两种调节方式下的上述5个指标存在显著性差异。

表1 HRV指标正态性检验Table 1 Normality test of HRV index

利用SPSS20统计分析软件对MEAN、HF、LF/HF、ApEn和SampEn指标进行主成分分析，结果如表3和表4所示。

表3 HRV指标总方差累计贡献率Table 3 Cumulative contribution rate of total variance of HRV indicator

表4 HRV指标成分矩阵表Table 4 HRV index component matrix table

表2 HRV指标配对样本T检验Table 2 paired-samples T test of HRV indicator

由表3可知，经主成分分析后HRV指标只有一个主成分，方差贡献率达58.864%，即大部分信息被包括。同时由表4可知，除HF指标外其他指标成分矩阵特征值的绝对值均大于0.5，即MEAN、LF/HF、ApEn和SampEn在该主成分上有较高荷载。ApEn可通过较短的数据就能得到较稳定的估计值，但所需数据点一般是1 000点左右，本次实验数据点较少。同时，与ApEn相比，SampEn具有两个优势：样本熵的计算不依赖于数据长度；样本熵具有更好的一致性[14]。为了全面描述两种调节方式下驾驶员疲劳恢复过程中的HRV变化特征，上述指标经筛选后时域指标、频域指标和非线性动力学指标应分别至少包含一个。综上考虑，选取 MEAN、LF/HF和SampEn指标作为表征驾驶员长时程疲劳恢复的HRV敏感指标。

2.2 各敏感指标随时间变化趋势分析

时域指标MEAN表达了相邻RR间期的平均值，其值大小能有效反映心率变异的平均水平。有研究表明[15]，驾驶员在行车过程中的RR间期均值小于静息状态，即MEAN指标越低，精神压力越大，驾驶员越疲劳。频域指标LF/H能有效反映心脏交感神经和迷走神经对心率调节的平衡状态。相关研究表明[16]，随着模拟驾驶时间的延长，LF/HF指标逐渐上升，驾驶员的神经紧张性加强，同时迷走神经兴奋降低，因此LF/HF指标越大，驾驶员越疲劳。非线性动力学指标SampEn表征HRV序列的复杂程度。实验证明[17]，随着驾驶时间的增加，样本熵曲线呈下降趋势，表明驾驶疲劳程度随着驾驶时间的延长逐渐加深，驾驶员心脏调节的能力降低，HRV序列的复杂度在驾驶过程中降低，同时自身调控变能力逐渐减弱，对外界环境变化的适应能力也随之降低。通过Origin2019软件绘制出疲劳恢复阶段MEAN、LF/HF和SampEn指标随时间的变化，如图1～图3所示。

由图1可见，在两种不同的调节方式下，MEAN指标在770～850范围内波动，整体上呈现出先下降后波动上升的总体趋势，同时总体可大致分为三个阶段。第一阶段(0～5 min)，指标呈下降趋势，说明驾驶员在两种调节方式下心理负担加重，疲劳程度加重。其原因如下：驾驶员经过长时程的行车后身心疲惫，亟须安静休息，而车外环境或车载音乐导致驾驶员精神压力增大。第二阶段(5～16 min)，指标呈现稳定增长状态，说明驾驶员已经适应驾驶后的环境变化，驾驶员心理负担和精神压力逐渐减小，疲劳程度逐渐缓解。第三阶段(16～30 min)，音乐调节休息方式下的指标呈现波动上升趋势，说明驾驶员的精神压力进一步减小，HRV活性得到进一步提高，疲劳程度得到进一步恢复；车外自由活动方式下的指标呈现缓慢向上波动状态，说明该调节方式对驾驶员的精神压力缓解效果开始减弱。休息时间从5 min左右后，音乐调节休息方式下MEAN指标值较大，故驾驶员在该调节方式下的精神状态更好。

图1 MEAN随时间变化规律Fig.1 Changes of mean over time

图2 LF/HF指标随时间变化规律Fig.2 Changes of LF/HF index over time

图3 SampEn指标随时间变化规律Fig.3 Changes of SampEn index over time

由图2可知，疲劳恢复阶段LF/HF指标在1.25～3.5范围内波动，整体呈现为先上升后逐渐下降的总体趋势。音乐调节休息方式下(0～8 min)，指标呈现上升趋势，车外自由活动方式下(0～12 min)，指标呈现剧烈波动上升趋势，即停车后驾驶员交感神经持续兴奋，同时迷走神经兴奋降低，因此LF/HF不平衡性增加。其原因如下，驾驶员驾驶结束后处于极度疲劳状态，此时的车外环境和车内音乐环境导致驾驶员的精神负荷没有减轻，在适应新环境过程中驾驶员付出了更大的精力，导致交感神经活性增大。音乐调节休息方式下(8～30 min)，车外自由活动方式下(12～22 min)，LF/HF指标呈现剧烈波动下降趋势，说明驾驶员已经适应了环境的变化，代谢降低，交感神经张力逐渐减少，迷走神经持续占优势，LF/HF指标逐渐降低，驾驶员疲劳程度得到一定的缓解。车外自由活动方式下(22～30 min)，LF/HF指标呈现上升趋势，说明交感神经性增大，车外自由活动方式开始阻碍疲劳恢复。整个恢复过程中，LF/HF指标始终大于1，因此驾驶员在疲劳恢复阶段过程中交感神经占优势，并逐渐向两者平衡状态转移。休息时间从9 min左右后，音乐调节休息方式下LF/HF指标值较小，故驾驶员在该调节方式下的疲劳程度恢复较好。

由图3显示，在两种不同的调节方式下，非线性动力指标SampEn值在1.2～1.7范围内波动，整体上亦呈现出先下降后剧烈波动上升的趋势，总体亦可分为三个阶段。第一阶段音乐调节休息方式下(0～6 min)，指标呈现下降趋势，车外自由活动方式下(0～10 min)，指标呈现剧烈波动下降趋势，表明驾驶员在极度疲劳状态下适应车外或音乐环境HRV序列的复杂度降低，自身调控能力减弱；第二阶段，音乐调节休息方式下(6～20 min)，车外自由活动方式下(10～22 min)，指标呈现平缓波动上升趋势，说明驾驶员在两种不同调节方式下得到了不同程度的恢复，心脏交感神经系统与迷走神经系统相互调节能力提高，适应外界环境变化的能力逐渐增强。第三阶段，音乐调节休息方式下(20～30 min)，车外自由活动方式下(22～30 min)，指标呈现剧烈波动上下波动状态，表明驾驶员的心脏调控能力与外界环境的适应能力处于波动状态。休息时间从5 min左右后，音乐调节休息方式下样本熵值较大，故驾驶员在该调节方式下的疲劳程度恢复较好。

2.3 基于主观调查问卷的疲劳程度验证

经过对所有驾驶员疲劳主观评价调查问卷的统计分析，由图4可知，95%驾驶员认为经过长时程的模拟驾驶由驾驶前的轻松状态达到了驾驶后筋疲力尽状态，经过30 min的疲劳恢复，两种调节方式下驾驶员的疲劳状态得到了不同程度的恢复，但是都没有完全恢复到驾驶前的轻松状态。30 min休息后，在音乐调节休息方式后，80%的驾驶员最终主观疲劳程度达到了无影响；但在车外自由活动调节方式后，仅有40%的驾驶员最终主观疲劳程度达到了无影响。由此可见，经过30 min的休息时间，音乐调节休息方式整体上优于车外自由活动，该主观分析结果与试验结果基本吻合。

图4 调查问卷统计图Fig.4 Questionnaire statistics chart

2.4 结果与讨论

经过音乐调节休息或车外自由活动方式调节后，HRV指标客观显示，驾驶疲劳恢复程度主要经过三个阶段。第一阶段，疲劳程度加重，时域指标MEAN在0～5 min处于下降趋势，频域指标LF/HF在0～10 min处于上升趋势，非线性动力学指标SampEn在0～8 min处于下降趋势。第二阶段，疲劳程度迅速恢复，MEAN指标主要表现在5～16 min内上升，LF/HF指标主要表现在10～22 min，SampEn指标表现在8～20 min左右内上升。第三阶段，疲劳恢复程度各指标表现不一，MEAN指标在16～30 min表现为上升，表明心理疲劳程度得到缓解；LF/HF指标在22～30 min内，音乐调节休息方式下波动下降趋势，车外自由活动方式下有上升趋势；SampEn指标在20～30 min内处于上下波动状态。

研究成果部分验证了音乐调节和车外自由活动能调节驾驶疲劳；同时长时间的音乐调节对驾驶疲劳恢复有抑制作用。

主观调查问卷显示，经过长时程的模拟驾驶，驾驶员处于筋疲力尽或非常疲劳状态，车外自由活动或车内音乐调节休息虽能调节心绪、改善情绪，但在短时间内会吸引驾驶员的注意力，导致驾驶员会付出更大的精力，因此不建议驾驶员长时程驾驶后立刻采用听音乐或下车活动调节方式，车内安静的休息更适合驾驶员。调节时间近22 min时，驾驶员的逐渐熟悉新的轻松环境，精神压力疲劳程度得到迅速的恢复，HRV指标显示，音乐调节休息下驾驶员的整体精神状态较好，建议休息时间在20 min左右时驾驶员选择音乐调节休息方式。调节时间大约在22 min以后，时域指标依旧上升，频域指标和非线性动力学开始出现剧烈波动，可能是因为恢复过程中的调节方式过于单一，疲劳恢复效果开始减弱，因此建议驾驶员采用单一的调节方式时间不宜过长，且宜采用多种方式组合来调节驾驶疲劳。

驾驶疲劳恢复的研究是一个极其复杂的过程，由于试验条件的限制，探索了两种常用的方法对驾驶疲劳恢复的影响过程，下一步研究应关注组合调节方法对驾驶疲劳恢复影响。

3 结论

通过开展草原公路长时程模拟驾驶后驾驶员的疲劳恢复实验，研究了车外自由活动和音乐调节休息方式对驾驶员疲劳恢复的影响，通过对HRV指标和主观问卷调查分析，得到如下结论。

(1)疲劳恢复过程中两种调节方式下，驾驶员的疲劳程度表现为先加重再迅速恢复后波动的现象。

(2)长距离驾驶后，不建议驾驶员立刻采用听音乐或下车活动方式调节疲劳，车内安静休息更适合驾驶员。

(3)休息时间在20 min左右时，相比较车外自由活动，建议驾驶员采用音乐调节休息方式；休息时间超过20 min，驾驶员应采取多种方式调节驾驶疲劳。